Händelsen inträffade i Källparken i stadsdelen Sala Backe. Det var anhöriga till flickan som larmade polis.
En förundersökning gällande grov våldtäkt är inledd och polisen har gjort en brottsplatsundersökning på platsen.
– Under dagen arbetar vi med förhör och försöker säkra teknisk bevisning, säger polisens utredare Charlotta Douhan.
Huruvida förövaren är någon flickan känner eller inte ännu oklart.
– Vi har inte tillräckligt med underlag för att kunna göra den bedömningen, säger Charlotta Douhan.
Inget samband
I måndags kväll skedde också en våldtäkt, i en skogsdunge i Bålsta. Just nu ser polisen inget samband mellan händelserna.
– Inte i nuläget, men det är ju tidigt i den här utredningen ännu, säger Charlotta Douhan.
Det finns ännu ingen misstänkt gärningsman, och polisen är intresserad av tips.
– Om någon sett något i parken mellan 19.30 och 20.30 på torsdagskvällen så får man gärna ringa 114 14 och säga att man har information om den här händelsen.